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AIP면 유동측정 정확도 향상을 위한 가스터빈엔진 입구덕트 설계 연구
Design Study of Engine Inlet Duct for Measurement Improvement of the Flow Properties on AIP 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.21 no.3, 2017년, pp.49 - 55  

임주현 (The 4th R&D Institute - 5th Directorate, Agency for Defense Development) ,  김성돈 (The 4th R&D Institute - 5th Directorate, Agency for Defense Development) ,  김용련 (The 4th R&D Institute - 5th Directorate, Agency for Defense Development)

초록
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가스터빈엔진의 성능시험을 위한 엔진 입구덕트를 1D 기법으로 Sizing 하였으며, 압축기 입구유동측정면(AIP, Aerodynamic interface plane)에서 경계층 두께를 최소화하고, 코어부 마하수분포가 균일하도록 설계하였다. 노즈콘 형상은 Haack-series 모델을 적용하고, 덕트 안쪽과 바깥쪽 면적변화율이 동일하도록 입구덕트 채널 바깥반경($r_o$)를 결정하여 설계목적을 구현하고자 하였으며, 이러한 형상이 설계목표에 부합하는지 확인하기 위하여 CFD를 수행하였다. AIP면에서 정압력분포는 최대값과 최소값 차이가 0.16% 이었으며, 마하수분포에서 경계층은 덕트반경 길의 2% 이내로 설계목표를 만족하였다. 이때 균일유동 코어부는 채널높이의 95% 이상이었다. 또한 입구유동의 전온도를 측정하기 위한 키엘 전 온도레이크 위치는 온도 회복계수가 최대화 되도록 마하수가 0.1 이하 지역인 노즈콘 전방 100 mm 이내이어야 함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, gas turbine engine inlet duct was designed to satisfy uniform flow at aerodynamic interface plane (AIP). Haack-series was selected as nose cone profile and duct outer radius($r_o$) was designed to satisfy to match with area change rate between the nose cone and outer duct w...

주제어

#엔진입구덕트   #노즈콘   #핵 시리즈 프로파일   #1차원 설계   #전산유체해석  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 2). AIP 면의 전압력과 정압력의 측정으로 흡입 유량을 평가하기 위하여 경계층두께는 수 밀리미터 이하 수준이 되고, 유로 코어부 마하수는 균일한 분포(Uniform flow)를 갖도록 노즈콘과 입구덕트 프로파일(Profile)을 설정하고자 하였다. 이를 통하여 가스터빈 엔진의 시험 중 흡입 유동의 평균 전압력과 정압력을 AIP에서 측정하고 전온도는 측정센서 Rake의 전온도 회복율이 최대가 되는노즈콘 전방에서 측정하여, 엔진 AIP 면에서 평균 전압력, 전온도 및 흡입 질유량(Mass flow rate)을 평가할 수 있도록 설계목표를 설정하였다.
  • 본 연구에서는 가스터빈엔진의 성능시험에서 정확한 입구유동 측정을 위한 입구덕트형상을 1D 기법으로 Sizing 및 비교평가를 통해 최적의 형상을 설계하고, 설계된 최종 형상에 대해 전산 유체해석을 통하여 설계의 적합성을 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
성능시험에서 엔진입구덕트은 어떤 상태가 되어야 하는가? 가스터빈엔진 성능시험에서 엔진의 성능은 압축기입구유동 조건을 기준으로 분석되므로 성능시험의 측정 기준인 엔진입구덕트(Engine inlet duct)는 AIP면(Aerodynamic interface plane)에서 균일 유동을 갖도록 하여, 유한개의 온도/압력으로도 평균유동장의 특성을 평가할 수 있도록 설계해야 한다. 따라서, 엔진 시운전 흡입구 덕트 설계는 덕트 내부의 경계층 성장과 체결부씰(Seal), 노즈콘 등 흡입구 유동에 미치는 영향을 고려하여 입구유동의 평균 압력, 온도 측정이 가능하도록 유동분포를 구현하고, 측정위치를 정해야 한다(Fig.
엔진 시운전 흡입구 덕트 설계에서 무엇이 중요한가? 가스터빈엔진 성능시험에서 엔진의 성능은 압축기입구유동 조건을 기준으로 분석되므로 성능시험의 측정 기준인 엔진입구덕트(Engine inlet duct)는 AIP면(Aerodynamic interface plane)에서 균일 유동을 갖도록 하여, 유한개의 온도/압력으로도 평균유동장의 특성을 평가할 수 있도록 설계해야 한다. 따라서, 엔진 시운전 흡입구 덕트 설계는 덕트 내부의 경계층 성장과 체결부씰(Seal), 노즈콘 등 흡입구 유동에 미치는 영향을 고려하여 입구유동의 평균 압력, 온도 측정이 가능하도록 유동분포를 구현하고, 측정위치를 정해야 한다(Fig. 1).
가스터빈 엔진 시운전실의 흡입구 덕트의 구성요소인 벨마우스와 슬립씰 덕트는 무엇인가? 본 설계연구에 대상이 되는 가스터빈 엔진 시운전실의 흡입구 덕트는 흡입구 벨마우스(Bellmouth)에서부터 슬립씰 덕트(Slip seal duct)와후단의 흡입구 디퓨저 덕트 및 노즈콘을 포함하는 시험엔진 AIP면까지로 구성된다. 벨마우스는 정체실 유동의 압력손실을 최소화하면서 균일한 입구유동을 형성하는 장치로, 본 엔진 성능시험에서는 유량측정장치로서 덕트 마하수가 0.1 이하이므로 유량값 평가에는 부적절하였다. 슬립씰덕트는 열팽창에 의한 축방향 움직임을 흡수하도록 벨로우즈(Bellows)가 장착되어 있으며, 누설방지를 위해 테프론 슬립씰을 적용 예정이다. 또한 슬립씰 내부 캐비티의 정압력을 측정하여 엔진의 축방향 압력항력을 평가하고자 한다.
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참고문헌 (7)

  1. Lucas, J.R., O'Brien W.F. and Ferrar A.M., "Effect of BLI-Type Inlet Distorsion on Turbofan Engine Performance," ASME Turbo Expo 2014, Dusseldorf, Germany, GT2014-26666, June, 2014. 

  2. Lee, K., Lee, B., Kang, S., Yang, S., and Lee, D., "Inlet Distortion Test with Gas Turbine Engine in the Altitude Engine Test Facility," 27th AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference, Chigaco, I.L., U.S.A, AIAA 2010-4337, June, 2010. 

  3. Bobula, G.A. and Roy, A.L., "Inlet Reynolds Number and Temperature Effects on the Steady-state Performance of a TFE731-2 Turbofan Engine," NASA TM X-3537, 1977. 

  4. Lee, B.H., Lee, K.J. and Yang. S.S., "The Prediction of Air Flow and Pressure Loss at Inlet Duct," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 14, No. 1, pp. 48-55, 2010. 

  5. Huerta, J., "A Feasibility Study on Drag Reduction of a Cone at Low Speeds," Final Report, EATM-100-20, 1971. 

  6. Crowell Sr, G.A., "The Descriptive Geometry of Nose Cones," URL: http://www.myweb.cableone.net/cjcrowell/NCEQN2.doc, 1996. 

  7. Werner, F.D., DeLeo, R.V. and Rogal, B., Total Temperature Probes, Flight, 1961. 

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